(57)【要約】【課題】温度変化に対し安定した周波数特性を有するＭＥＭＳデバイスを提供する。【解決手段】基板１００と、基板１００の表面に形成された第１ベース層３０と、第１ベース層３０の表面に固定された固定電極８０と、基板１００の表面に形成された第２ベース層４０と、固定電極８０と対向する梁部９１を備え、梁部９１を支持し第２ベース層４０の表面に固定されたアンカー部９２とを備えた可動電極と、を含み、第２ベース層４０は第１ベース層３０よりも熱膨張係数の大きい材料で形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面に形成された第１ベース層と、前記第１ベース層の表面に固定された固定電極と、前記基板の表面に形成された第２ベース層と、前記固定電極の第１面と対向する第２面を有する梁部、前記梁部を支持し前記第２ベース層の表面に固定されたアンカー部を備えた可動電極と、を含み、
前記第２ベース層は前記第１ベース層よりも熱膨張係数の大きい材料で形成されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１ベース層は窒化物層で形成され、前記第２ベース層は誘電性をもつ半導体材料で形成されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１ベース層は窒化物層で形成され、前記第２ベース層はＡｌ、Ｍｏ、Ｗから選択される金属材料で形成されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイスを含むことを特徴とするＭＥＭＳ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳデバイスおよびＭＥＭＳ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）は、微小構造体形成技術の一つで、例えば、ミクロンオーダーの微細な電子機械システムを作る技術やその製品のことをいう。
【０００３】
非特許文献１には、固定電極および可動電極を有し、両電極間に発生する静電力により可動電極を駆動させるＭＥＭＳ振動子が開示されている。このＭＥＭＳ振動子の駆動周波数は、可動電極の固有周波数によって決まる。またＭＥＭＳ振動子が駆動する環境の温度が変化した場合、ＭＥＭＳ振動子の周波数は温度が上がるに従って低くなることが記されている。
【０００４】
一方、非特許文献２には、ＭＥＭＳ振動子の周波数は、駆動条件によって変化することが開示されている。これによると周波数の変化量は駆動電圧、固定電極と可動電極との交差面積、および固定電極と可動電極との間隔によって決まる。また固定電極と可動電極の間隔および寸法が一定である場合、電圧が高くなるに従い周波数は低くなることが記されている。
【０００５】
これらから、温度変化によって振動子の周波数が変化した場合、周波数変化を補正するため駆動電圧を変化させることは容易に推測することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｃｌａｒｋ Ｔ．−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ、“Ｍｉｃｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒｓ、”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９５ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｐｏｉｓｉｕｍ、１９９５、ｐｐ．４８９−４９９
【非特許文献２】Ｆｒａｎｋ Ｄ．Ｂａｎｎｏｎ，ＩＩＩ，Ｊｏｈｎ Ｒ，Ｃｌａｒｋ，Ｃｌａｒｋ Ｔ．−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ，“Ｈｉｇｈ−ＱＨＦ Ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ、”ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．４、２０００、ｐｐ．５１２−５２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＥＭＳ振動子などのＭＥＭＳデバイスにおいて周波数精度が必要な場合には、温度変化に対する周波数変化を補正するために、駆動電圧を変化させる専用の回路を付加する必要がある。このため、温度による周波数の補正をせずに利用できる、周波数変化の少ないＭＥＭＳデバイスが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］本適用例のＭＥＭＳデバイスは、基板と、前記基板の表面に形成された第１ベース層と、前記第１ベース層の表面に固定された固定電極と、前記基板の表面に形成された第２ベース層と、前記固定電極の第１面と対向する第２面を有する梁部、前記梁部を支持し前記第２ベース層の表面に固定されたアンカー部を備えた可動電極と、を含み、前記第２ベース層は前記第１ベース層よりも熱膨張係数の大きい材料で形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、第２ベース層は第１ベース層に比べ熱膨張係数が大きいため、固定電極と可動電極との間隔は温度によって変化し、その結果駆動電圧の影響が変わり温度変化に対する周波数変化を低減することができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例のＭＥＭＳデバイスは、前記第１ベース層は窒化物層で形成され、前記第２ベース層は導電性をもつ半導体材料で形成されていることが望ましい。
【００１２】
本適用例によれば、第１ベース層は窒化物層で形成され、第２ベース層は導電性をもつ半導体材料、例えばポリシリコンで形成されている。一般的にポリシリコンの熱膨張係数は窒化物の膜に比べ大きいため、外部より熱が加わると第２ベース層のほうがより膨張する。その結果温度変化に対して固定電極と駆動電極との間隔が変化し、駆動電圧の影響が変わり温度変化に対する周波数変化を低減することができる。
【００１３】
［適用例３］上記適用例のＭＥＭＳデバイスは、前記第１ベース層は窒化物層で形成され、前記第２ベース層はＡｌ、Ｍｏ、Ｗから選択される金属材料で形成されていることが望ましい。
【００１４】
本適用例によれば、第１ベース層は窒化物層で形成され、第２ベース層はＡｌ、Ｍｏ、Ｗから選択される金属材料で形成されている。これらの金属材料の熱膨張係数は窒化物の膜に比べ大きいため、外部より熱が加わると第２ベース層のほうがより膨張する。その結果温度変化に対して固定電極と駆動電極との間隔が変化し、駆動電圧の影響が変わり温度変化に対する周波数変化を低減することができる。
【００１５】
［適用例４］本適用例のＭＥＭＳ発振器は、上記ＭＥＭＳデバイスを含むことを特徴とする。
【００１６】
本適用例の構成によれば、温度による周波数変化の少ないＭＥＭＳデバイスを用いていることから、周波数を補正する専用回路を付加する必要がない。また、回路規模を小さく設計でき、発振器の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係るＭＥＭＳデバイスの構成を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ切断面を示す断面図。
【図３】実施形態１に係るＭＥＭＳデバイスの主要な製造工程を示す断面図。
【図４】実施形態１に係るＭＥＭＳデバイスの振動子部を示す断面図。
【図５】駆動電極と固定電極の間隔と周波数の関係を示す図。
【図６】実施形態２に係るＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の寸法の割合を適宜変更している。
（実施形態１）
【００１９】
図１は、実施形態１に係るＭＥＭＳ振動子の構成を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ切断面を示す断面図である。
図１、図２において、ＭＥＭＳ振動子１０は、ＸＹ平面に展在される基板１００と、基板１００の一部表面に形成される第１ベース層３０と、第１ベース層３０とは異なる箇所で基板１００の表面に形成される第２ベース層４０と、固定電極８０と、梁部９１とアンカー部９２とから形成される駆動電極９０と、から構成されている。
【００２０】
基板１００はシリコンなどの半導体基板が用いられる。
第１ベース層３０は材料としてＳｉ3Ｎ4などの窒化物が用いられ、第２ベース層４０の材料として第１ベース層３０の窒化物よりも熱膨張係数の大きい例えば、ポリシリコン、ＳｉＣなどの誘電性をもつ半導体材料や、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗなどの金属材料が用いられる。
また、固定電極８０および駆動電極９０はポリシリコンにて構成されている。
【００２１】
駆動電極９０は、アンカー部９２で第２ベース層４０に接続され、−Ｘ方向に延在された梁部９１を有する片持ち梁構造である。
【００２２】
駆動電極９０は、固定電極８０の表面と空間５５（図３参照）を有し、駆動電極９０と固定電極８０との距離ｄを隔てて形成されており、梁部９１の先端部がＺ方向に振動可能である。
【００２３】
（ＭＥＭＳ振動子の製造方法）
続いて、本実施形態のＭＥＭＳ振動子１０の製造方法について図面を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子の主要な製造工程を示す断面図である。なお、図３は、図１のＡ−Ａ切断面を表している。また、図１、図２も参照して説明する。
【００２４】
まず、図３（ａ）に示すように、基板１００の表面全体にＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、またはＰＶＤ 法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの膜形成手段を用いて窒化物層を成膜し、エッチング法を用いて第１ベース層３０を形成する。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法、またＰＶＤ法などの膜形成手段を用いて第１ベース層よりも熱膨張係数の大きな材料を成膜し、エッチング法を用いて第２ベース層４０を形成する。
【００２６】
次に、図３（ｃ）に示すように、第１ベース層３０の表面全体に固定電極８０となるポリシリコン層８５をＣＶＤ法またはＰＶＤ法等の膜形成手段を用いて形成する。
【００２７】
次に、図３（ｄ）に示すように、エッチング法を用いて固定電極８０を形成する。
【００２８】
次に、図３（ｅ）に示すように、犠牲層５０を固定電極８０の表面をＣＶＤ法、またはＰＶＤ法を用いて形成する。犠牲層５０の厚さは、空間５５のｄ寸法（図２、参照）に相当する。
【００２９】
次に、図３（ｆ）に示すように、固定電極８０周辺以外にある犠牲層５０をエッチング法を用いて取除く。
【００３０】
次に、図３（ｇ）に示すように、ポリシリコン層９５を犠牲層５０の表面全体及び第１ベース層３０、第２ベース層４０にＣＶＤ法、またはＰＶＤ 法を用いて形成する。
【００３１】
次に、図３（ｈ）に示すように、露光工程、エッチング工程の順に加工処理し、梁部９１およびアンカー部９２を形成する。
【００３２】
続いて、図３（Ｉ）に示すように、犠牲層５０を除去する。この工程は、基板１００をエッチング液に浸漬することで行われる。よって、駆動電極９０の下部に形成された犠牲層５０が除去されて、図２に示すような駆動電極９０と固定電極８０とが立体形成される。
【００３３】
（ＭＥＭＳデバイスの温度変化に伴う動作）
次に、実施形態１に係るＭＥＭＳ振動子１０の温度変化に伴う変化について説明する。
【００３４】
始めに駆動電極と固定電極の間隔ｄが温度によって変わることを、図４を参照して説明する。図４は固定電極と駆動電極との周辺を拡大した説明図である。
【００３５】
固定電極８０下面は第１ベース層３０である窒化物層であり、駆動電極９０のアンカー部９２の下面は第２ベース層４０である。第２ベース層４０は窒化物層に比べ熱膨張係数が大きい材料を用いる。表１はＭＥＭＳで使われる材料の熱膨張係数を表している。ここから第２ベース層４０は窒化物層より大きい材料、例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）、ＳｉＣやアルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などが挙げられる。
【００３６】
【表１】
2013018093.tif 000003
【００３７】
第２ベース層４０に窒化物層より熱膨張係数が大きな材料を用いることで、温度変化に伴い第２ベース層４０も膨張し、その結果、駆動電極９０と固定電極８０の間隔ｄが変わる。つまり、温度が高くなるに従い駆動電極９０と固定電極８０の間隔ｄは広くなる。
【００３８】
ところで、ＭＥＭＳ振動子の駆動腕の共振周波数は、次式で計算することができる。
【００３９】
【数１】
2013018093.tif 000004
【００４０】
ここで、共振周波数をｆ、駆動電極の機械的ばね定数をｋｍ、駆動電極の電気的ばね定数をｋｅ、駆動電極の有効質量をｍｒで表す。さらに、例えば片持ち梁の場合、機械的ばね定数ｋｍおよび電気的ばね定数ｋｅは、次式で計算することができる。
【００４１】
【数２】
2013018093.tif 000005
【００４２】
【数３】
2013018093.tif 000006
【００４３】
ここで、駆動電極のヤング率をＥ、駆動電極の断面二次モーメントをＩ、駆動腕の長さをｌ、駆動電極と固定電極間の誘電率をε、駆動電極と固定電極の交差面積をＡ、駆動電圧をＶ、駆動電極と固定電極の間隔をｄで表す。
【００４４】
断面二次モーメントＩ は駆動電極の断面形状によって決定される。たとえば、駆動電極の断面形状が厚さｔ、幅ｗの長方形状の場合断面二次モーメントＩは次式で計算することができる。
【００４５】
【数４】
2013018093.tif 000007
【００４６】
駆動電極の有効質量ｍｒは、エネルギー保存則から計算することができ、例えば片持ち梁の場合、次式で計算することができる。
【００４７】
【数５】
2013018093.tif 000008
【００４８】
ここでｍは片持ち梁全体の質量であり、長さｌと、幅ｗと、厚みｔと、の積である。
【００４９】
これらの関係から駆動電極が片持ち梁と想定し、長さｌ、幅ｗ、厚みｔ、駆動電圧Ｖを一定とすると、図５に示すように駆動電極と固定電極の間隔が広くなるに従い共振周波数は高くなる。
【００５０】
以上述べたように、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子１０によれば、温度が高くなるに従い駆動電極９０と固定電極８０の間隔ｄは広くなり、周波数は高くなる。
また、一方でＭＥＭＳ振動子の周波数は、印加する駆動電圧が高くなるに従い周波数は低くなる。
この結果、温度と駆動電圧の影響が相殺され、温度変化に対する周波数変化を低減することができる。
（実施形態２）
【００５１】
次に、本実施形態に係る発振器について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る発振器の構成を示すブロック図である。
【００５２】
ＭＥＭＳ発振器２００は、図６に示すように、本発明に係るＭＥＭＳ振動子１０と、発振回路２１０と、を含む。
【００５３】
発振回路２１０は、ＭＥＭＳ振動子１０と電気的に接続されている。発振回路２１０からＭＥＭＳ振動子１０の電極間に電圧が印加されると、梁部９１は、電極間に発生する静電力により振動することができる。そして、発振回路２１０によって、ＭＥＭＳ振動子１０は、共振周波数で発振することができる。
【００５４】
ＭＥＭＳ発振器２００によれば、温度による周波数変化の少ないＭＥＭＳ振動子１０を用いていることから、周波数を補正する専用回路を付加する必要がない。また、回路規模を小さく設計でき、ＭＥＭＳ発振器２００の小型化を図ることができる。
【００５５】
なお、上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【００５６】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５７】
１０…ＭＥＭＳ振動子、３０… 第１ベース層、４０…第２ベース層、５５…空間、８０…固定電極、９０…駆動電極、９１…梁部、９２…アンカー部、１００…基板、２００…ＭＥＭＳ発振器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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